艦船軍用毒劑新型監(jiān)測裝備體系研究

梅建庭，白雪蓮，羅一丁

(海軍大連艦艇學(xué)院水武與防化系，遼寧 大連 116018)

0 引言

近年來，艦船在維護(hù)島礁領(lǐng)土主權(quán)、海洋權(quán)益，護(hù)航、維和、聯(lián)合軍演、反恐、救援和出訪等多樣化軍事任務(wù)中經(jīng)常會受到化學(xué)毒劑、生物戰(zhàn)劑、爆炸物和工業(yè)有毒有害危險品等威脅，及時、有效和準(zhǔn)確檢測這些物質(zhì)有利于提升艦船防護(hù)能力［1－2］。艦船常規(guī)毒劑監(jiān)測裝備由于受當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的制約，存在靈敏度和分辨率低，抗干擾能力弱和監(jiān)測距離近等不足，難以滿足未來艦船遂行多樣化軍事任務(wù)的需求［3－5］。本文根據(jù)艦船作戰(zhàn)訓(xùn)練的環(huán)境和當(dāng)前毒劑監(jiān)測領(lǐng)域取得的進(jìn)展，提出適合艦船裝備集近距離、遙測和機(jī)載于一體的全方位毒劑預(yù)警監(jiān)測裝備體系，能及時為艦船提供現(xiàn)場、預(yù)測預(yù)警毒劑檢測數(shù)據(jù)，為艦船及時防護(hù)和機(jī)動贏得時間。

1 艦船毒劑監(jiān)測裝備作戰(zhàn)需求

1)廣譜、高靈敏度和分辨率。生化戰(zhàn)劑種類繁多、毒性大和危害途徑多，化學(xué)戰(zhàn)中常使用低濃度、高毒性的化學(xué)戰(zhàn)劑混合物，除已知毒劑外，還含有一些未知的有毒有害物質(zhì)。所以，不僅要求能監(jiān)測神經(jīng)性、糜爛性等常見毒劑蒸氣、氣溶膠，而且能監(jiān)測常見的有毒有害氣體;裝備的響應(yīng)時間應(yīng)在幾秒之內(nèi)，最好達(dá)到實時監(jiān)測。

2)遠(yuǎn)距離監(jiān)測功能。由于艦船是人員眾多的作戰(zhàn)平臺，長時間在生化條件下作戰(zhàn)訓(xùn)練，需要大量防護(hù)裝備才能確保艦艇人員的安全。如果艦船能遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)生化戰(zhàn)劑云團(tuán)，可以采用機(jī)動的方式避開生化戰(zhàn)劑云團(tuán)的危害。探測距離要求超過5 km，甚至達(dá)到10～20 km。

3)抗干擾能力強。艦船在作戰(zhàn)條件下，周圍環(huán)境十分復(fù)雜，發(fā)射武器彈藥產(chǎn)生的硝煙、橡膠、油漆等物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的廢氣都會對毒劑檢測裝備靈敏度產(chǎn)生干擾，易出現(xiàn)誤報漏報現(xiàn)象。準(zhǔn)確率一般應(yīng)在80%或更高。

4)抗復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。艦船上裝備大量基于計算機(jī)、現(xiàn)代通信、觀測、人工智能和自動控制等電子裝備，使得毒劑監(jiān)測裝備周圍的電磁環(huán)境極為復(fù)雜，極易引起毒劑監(jiān)測裝備信號和運行基線的不穩(wěn)定。

5)耐“三高”能力。艦船長期處于高溫、高濕和高鹽的環(huán)境下，毒劑監(jiān)測裝備極易被腐蝕，特別是離子遷移管，需要經(jīng)過特殊處理，才能防止由“三高”引起靈敏度和分辨率的降低。

6)自動化全天候監(jiān)測。能在各種背景下全天候快速展開、自動完成監(jiān)測工作，具備報警顯示和信息傳遞等功能。

2 常規(guī)艦船毒劑監(jiān)測裝備面臨的挑戰(zhàn)

常規(guī)艦船毒劑監(jiān)測裝備監(jiān)測原理是基于離子遷移譜技術(shù)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、恢復(fù)時間短等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于艦船、公共安全中毒劑、危險品和爆炸物等檢測。常規(guī)離子遷移管原理的工作方式如圖1所示。該工作方式是對離子施加一個勻強電場，該電場一般小于1000 V/cm，利用不同離子在該電場下飛行速度的差異導(dǎo)致飛行時間的不同來實現(xiàn)對離子的分離監(jiān)測。不足之處:一是離子遷移管體積大。由于采用勻強電場對離子進(jìn)行分離，所以需要一個較大的勻強電場區(qū)才能實現(xiàn)離子的完全分離，造成離子遷移管體積過大，難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;二是離子利用率低。由于采用通斷離子門，引起離子的極大損耗，限制了裝備檢測靈敏度的進(jìn)一步提高［5－6］。

圖1 常規(guī)離子遷移管原理Fig.1 Theory of ion mobility pipeline

1)直接吸入型離子遷移譜的不足:一是分辨率不高，關(guān)鍵部位易腐蝕。由于接收電極受幾何尺寸和數(shù)量的限制，待檢氣體直接進(jìn)入漂移管，環(huán)境溫度濕度的影響都會引起分辨率的降低。艦船在“三高”環(huán)境下使用，樣品氣體直接進(jìn)入裝備內(nèi)部易引起精密電極、放射源等器件腐蝕。二是環(huán)境氣體影響大，誤報漏報多。艦船在作戰(zhàn)中環(huán)境氣體背景十分復(fù)雜，硝煙、橡膠和油漆等各種不明易燃物的燃燒廢氣在檢測器電極上的響應(yīng)對計算機(jī)在毒劑的模式識別影響很大。

2)滲透膜型離子遷移譜雖然防止“三高”環(huán)境對精密電極等器件的腐蝕，但存在以下缺點:一是響應(yīng)時間長，裝備復(fù)零慢。滲透膜型漂移管內(nèi)部的漂移氣體與外界的空氣由硅橡膠滲透膜隔離，樣品分子需要穿過滲透膜才能使裝備有響應(yīng)，滲透時間越長，響應(yīng)時間越長，復(fù)零也越慢。二是溶劑有干擾。大多數(shù)油漆、潤滑脂、分子量大于150的物質(zhì)易穿過硅橡膠滲透膜而引起干擾，如汽油、油煙等。三是難以監(jiān)測揮發(fā)性小的毒劑。液體毒劑揮發(fā)性小，大多數(shù)毒劑分子不能直接到達(dá)滲透膜表面而無法穿過滲透膜，致使難以監(jiān)測這類毒劑。

3 艦船新型毒劑監(jiān)測裝備體系構(gòu)建

3.1 常規(guī)毒劑監(jiān)測裝備的改進(jìn)

采用高場強非對稱波形離子遷移譜 (FAIMS)可對常規(guī)毒劑監(jiān)測裝備進(jìn)行技術(shù)升級，既可以克服常規(guī)毒劑監(jiān)測裝備的不足，又可以進(jìn)一步減小體積和重量，有利于研制便攜式毒劑監(jiān)測裝備。FAIMS主要通過對常規(guī)毒劑監(jiān)測裝備的傳感器、漂移管、電場和接收裝置等關(guān)鍵部位進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步提高裝備的靈敏度、分辨率和抗干擾能力，還擴(kuò)展了檢測物質(zhì)的種類。

1)平板型漂移管

FAIMS漂移管目前比較成熟的技術(shù)是平板型結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示［7］。FAIMS離子分離技術(shù)只需要對2塊平行金屬板施加非對稱射頻電壓和補償電壓就能構(gòu)成“離子濾波器”，使符合條件的某種離子通過平行金屬板，到達(dá)離子收集盤。平行平板長度、平板間寬度、非對稱高電壓波形和頻率、緩沖氣體的種類和流速等參數(shù)都對FAIMS性能有影響。該結(jié)構(gòu)易用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)工藝加工，具有微型化、靈敏度高、檢測時間短、檢測物質(zhì)廣和功耗低等特點。

圖2 FAIMS漂移管原理Fig.2 Theory of the high-field asymmetric waveform ion mobility pipeline

2)離子電流捕獲裝置

離子電流捕獲裝置為陣列式微法拉第筒，如圖3所示［8］。該方法優(yōu)點:一是敏感電極采用陣列式設(shè)計，擴(kuò)大了氣體與敏感電極的接觸面積。在敏感電極中形成許多分散的微氣流通道，可以破壞氣體進(jìn)入敏感陣列后的穩(wěn)定流場，使氣體中的離子更容易與敏感電極發(fā)生碰撞。由于載氣驅(qū)動離子從敏感電極間流過，省去了驅(qū)動電極;二是柵電極、屏蔽電極及導(dǎo)電側(cè)壁能夠?qū)γ舾须姌O進(jìn)行良好的屏蔽，提高了法拉第筒的檢出限。三是離子在到達(dá)敏感電極前，會由于電磁感應(yīng)而在敏感電極上形成感生電流。柵電極的存在能夠大大減小電磁感應(yīng)現(xiàn)象，減小敏感電極上的感生電流。

圖3 陣列式微法拉第筒Fig.3 Array micro Faraday cup

3.2 遙測式毒劑監(jiān)測裝備

艦艇遙測化學(xué)/生物戰(zhàn)劑不僅能大幅度提高艦艇的戰(zhàn)場生存能力，而且能充分發(fā)揮艦艇機(jī)動性好的特點，可以靈活規(guī)避化學(xué)/生物戰(zhàn)劑云團(tuán)，為艦艇節(jié)省大量防護(hù)裝備，延長艦艇在生化條件下的作戰(zhàn)訓(xùn)練時間，同時為艦艇防護(hù)提供足夠的準(zhǔn)備時間［9］。

1)被動紅外遙測裝備

M21化學(xué)毒劑遙測報警系統(tǒng) (RSCAA)是美軍重點發(fā)展并正式列裝的化學(xué)毒劑遙測裝備。M21遙測毒劑報警器是利用1臺自動掃描被動式紅外探測器，探測因毒劑云團(tuán)的存在而引起的背景紅外輻射的變化來探測毒劑的存在與否，可探測神經(jīng)性、糜爛性等常見毒劑，最遠(yuǎn)探測距離為5 km。該系統(tǒng)從20世紀(jì)50年代末期開始研制，經(jīng)過多年的實驗、改進(jìn)、設(shè)計定型后于1990年底生產(chǎn)25臺套，部分在1990年“沙漠風(fēng)暴”海灣戰(zhàn)爭中成功使用后改稱M21。美國在M21基礎(chǔ)上研究、發(fā)展為輕型被動紅外傳感毒劑報警器 (LSCAD)。該裝備由光學(xué)傳感器、電子模塊、數(shù)據(jù)分析/控制軟件等幾部分組成。傳感器是一種基于邁克爾遜干涉儀的紅外光譜儀，He-Ne激光器和用作干涉儀參照物的偶聯(lián)光導(dǎo)纖維安裝在底座上。LSCAD具有小巧、輕便和堅固耐用的特點，不僅可安裝在各種艦艇和裝甲車上，還可安裝于直升機(jī)和無人駕駛飛機(jī)上。目前還在對LSCAD進(jìn)行技術(shù)升級，發(fā)展為ILSCAD。

德國布魯爾 (BRUKER)公司為德軍研究開發(fā)了RAMSIS系統(tǒng)。RAMSIS系統(tǒng)曾在兩伊戰(zhàn)爭中使用，并為國際生化核查組織所訂購。目前，RAMSIS系統(tǒng)已改稱RAPID，RAPID化學(xué)毒劑紅外遙測報警系統(tǒng)由主機(jī)、遠(yuǎn)距離顯示與控制單元、專用計算機(jī)、電源和車載減震器及三腳架等組成。主機(jī)由干涉儀、紅外探測器、景物掃描器、CCD攝像器、控制和數(shù)據(jù)處理單元組成，通過RS422電纜與專用計算機(jī)連接。

2)化學(xué)毒劑紅外成像系統(tǒng)

美國海軍在20世紀(jì)80年代后期成功開發(fā)了AN/KAS-1型化學(xué)戰(zhàn)方向探測器。該系統(tǒng)由2種視場 (3.4°×6.8°;1.1°×2.2°)通用組件的前視紅外系統(tǒng)加上步進(jìn)光譜濾光片和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。對于神經(jīng)性蒸氣云團(tuán)的作用距離大于5 km，總重量為20.9 kg。根據(jù)海軍的訂貨已交付總計555臺套。

3)主動激光遙測裝備

20世紀(jì)80年初，美軍研制了一種差分吸收激光雷達(dá) (DIAL)，光源為1只頻率可調(diào)CO2激光器，能發(fā)出9～10μm波段 (含磷神經(jīng)毒劑峰值吸收波長為9.8μm)的60條譜線。DIAL的作用距離2 km，對神經(jīng)毒劑的靈敏度為0.01 mg/m3，對芥子氣為0.1 mg/m3。1986年，通過技術(shù)攻關(guān)，DIAL系統(tǒng)的體積和重量都有所減少，探測距離增加到7 km，此監(jiān)測裝備可安裝在直升機(jī)和遠(yuǎn)程飛機(jī)上使用。目前，美國休斯飛機(jī)公司正在為美軍發(fā)展一種基于吸收原理的CO2調(diào)頻激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)的CO2激光器可調(diào)出4種激光束用以照射監(jiān)測毒劑，對蒸汽態(tài)毒劑的作用距離為5 km、對氣溶膠毒劑為1 km、對地面液態(tài)毒劑為500 m，此監(jiān)測裝備可安裝在水面艦艇和直升機(jī)上。法國的DETADIS、德國的VTB－1型遙測化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器都是基于CO2差分吸收激光雷達(dá)基礎(chǔ)上研制的。

3.3 機(jī)載式毒劑監(jiān)測裝備

長期以來，人們一直希望使用較為小型的無人飛行器 (UAV)作為化學(xué)/生物探測器的先鋒，傳感器尺寸的縮小和自動化程度提高提供了可能。21世紀(jì)初，波音公司和Smiths公司聯(lián)合研制固定在無人機(jī)上的毒劑監(jiān)測裝備，并取得階段性成果。2009年10月美國陸軍埃奇伍德生化中心和Smiths公司聯(lián)合宣布，成功試驗了采用無人機(jī)前端的一個傳感器檢測云中化學(xué)毒劑。Smitns公司還將輕型化學(xué)偵檢儀 (LCD)裝載在美國“捕食者”號無人機(jī)上，用于試驗和訓(xùn)練已有5年以上時間。由于艦載無人機(jī)的成本低、體積小、用途廣泛、效費比高、可避免人員傷亡的特點，越來越受到各國海軍的青睞，已成為西方軍事強國追求現(xiàn)代戰(zhàn)爭“零傷亡”的理想武器。在艦載無人機(jī)上掛載化學(xué)/生物監(jiān)測任務(wù)載荷，能夠快速準(zhǔn)確監(jiān)測、預(yù)測遠(yuǎn)距離化學(xué)/生物染毒分布態(tài)勢和擴(kuò)散趨勢，為艦艇編隊指揮決策機(jī)關(guān)及時有效掌握化學(xué)/生物信息，做出正確決策提供科學(xué)、有效的依據(jù)。

4 結(jié)語

艦船新型化學(xué)/生物監(jiān)測裝備體系是由接觸式、遙測式和機(jī)載式化學(xué)/生物監(jiān)測裝備構(gòu)建，既克服了常規(guī)毒劑監(jiān)測裝備的不足，又增加了遙測和遠(yuǎn)距離監(jiān)測等裝備手段。對FAIMS中漂移管和離子捕獲等關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，可以達(dá)到同時檢測多種類物質(zhì)所需的靈敏度和分辨率，能滿足艦船未來遂行多樣化軍事任務(wù)所需裝備的要求。

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